(57)【要約】【課題】車両駆動電力供給用の燃料電池に用いられる熱交換装置において、熱交換性能を向上させると共に、燃料電池の発電性能を向上させることを目的とする。【解決手段】燃料電池１０に空気を導く空気配管２０と、空気配管２０に設けられ、空気配管２０に流通する空気との間の熱交換、および燃料電池１０との間の熱交換を行う第１の熱交換手段と、第１の熱交換手段の上流側に設けられ、空気配管２０に流通する空気との間の熱交換、および車両駆動部１４との間の熱交換を行う第２の熱交換手段とを備える。第１の熱交換手段には、燃料電池熱交換器３６、冷媒管３８、および下流熱交換器３４が含まれる。第２の熱交換手段には、電気系統熱交換器２６、冷媒管２８、および上流熱交換器２４が含まれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両駆動電力供給用の燃料電池に気体を導く気体流通経路と、
前記気体流通経路に設けられ、当該気体流通経路に流通する気体との間の熱交換、および前記燃料電池との間の熱交換を行う第１熱交換手段と、
前記気体流通経路における前記第１熱交換手段の上流側に設けられ、当該気体流通経路に流通する気体との間の熱交換、および車両の電力駆動部との間の熱交換を行う第２熱交換手段と、
を備えることを特徴とする車両搭載燃料電池用熱交換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両搭載燃料電池用熱交換装置において、
前記第１熱交換手段は、
前記気体流通経路と前記燃料電池との間を循環する熱交換媒体を含み、
前記第２熱交換手段は、
自らの熱交換処理後の気体の温度が、前記熱交換媒体に含まれる液体物質の温度を沸点に至らしめない温度となるよう、熱交換処理を行うことを特徴とする車両搭載燃料電池用熱交換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の車両搭載燃料電池用熱交換装置において、
前記第２熱交換手段は、
前記熱交換媒体の温度に応じて熱交換処理を行うことを特徴とする車両搭載燃料電池用熱交換装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の車両搭載燃料電池用熱交換装置において、
前記液体物質はエチレングリコールであることを特徴とする車両搭載燃料電池用熱交換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の車両搭載燃料電池用熱交換装置において、
前記第１熱交換手段は、
前記気体流通経路と前記燃料電池との間を循環する熱交換媒体を含み、
前記第２熱交換手段は、
前記熱交換媒体の温度に応じて熱交換処理を行うことを特徴とする車両搭載燃料電池用熱交換装置。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の車両搭載燃料電池用熱交換装置において、
前記第２熱交換手段は、
前記熱交換媒体の温度が予め定められた値未満となったときに、前記気体流通経路に流通する気体から放出する熱量を制限することを特徴とする車両搭載燃料電池用熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両駆動電力供給用の燃料電池に用いられる熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から供給される電力によって走行する燃料電池自動車について広く研究開発が行われている。燃料電池自動車には、水素および酸素を燃料電池に供給する装置が搭載される。水素は燃料電池自動車に搭載された水素タンクから燃料電池に供給され、酸素は、燃料電池の外部から空気に含まれる形態で燃料電池に供給される。燃料電池は、水素および酸素の化学反応により発電し、発電電力をモータに供給する。モータは燃料電池から供給された電力に基づいて燃料電池自動車を駆動する。
【０００３】
なお、特許文献１から３には、燃料電池の温度を調整する冷媒と、燃料電池に供給される空気との間で熱交換を行う燃料電池システムについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５２２４３１号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３１７４号公報
【特許文献３】特開平７−９４２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池に供給される空気は、発電に適した温度に調整されることが好ましい。そのため、燃料電池に空気を導く経路には、空気の温度を調整する熱交換器が設けられる。この熱交換器は、例えば、燃料電池の冷媒管を流通する冷媒と空気経路を流通する空気との間で熱交換を行うよう配置される。
【０００６】
しかし、燃料電池に空気を供給する装置には、空気の圧力を高めるエアコンプレッサ等の装置が用いられることが多い。この場合、燃料電池に供給される空気の温度が高くなり、熱交換器の性能、燃料電池の性能等を最大限に発揮させることが困難となることがある。
【０００７】
本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、車両駆動電力供給用の燃料電池に用いられる熱交換装置において、熱交換性能を向上させると共に、燃料電池の発電性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、車両駆動電力供給用の燃料電池に気体を導く気体流通経路と、前記気体流通経路に設けられ、当該気体流通経路に流通する気体との間の熱交換、および前記燃料電池との間の熱交換を行う第１熱交換手段と、前記気体流通経路における前記第１熱交換手段の上流側に設けられ、当該気体流通経路に流通する気体との間の熱交換、および車両の電力駆動部との間の熱交換を行う第２熱交換手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る車両搭載燃料電池用熱交換装置においては、前記第１熱交換手段は、前記気体流通経路と前記燃料電池との間を循環する熱交換媒体を含み、前記第２熱交換手段は、自らの熱交換処理後の気体の温度が、前記熱交換媒体に含まれる液体物質の温度を沸点に至らしめない温度となるよう、熱交換処理を行うことが好適である。
【００１０】
また、本発明に係る車両搭載燃料電池用熱交換装置においては、前記第２熱交換手段は、前記熱交換媒体の温度に応じて熱交換処理を行うことが好適である。
【００１１】
また、本発明に係る車両搭載燃料電池用熱交換装置においては、前記液体物質はエチレングリコールであることが好適である。
【００１２】
また、本発明に係る車両搭載燃料電池用熱交換装置においては、前記第１熱交換手段は、前記気体流通経路と前記燃料電池との間を循環する熱交換媒体を含み、前記第２熱交換手段は、前記熱交換媒体の温度に応じて熱交換処理を行うことが好適である。
【００１３】
また、本発明に係る車両搭載燃料電池用熱交換装置においては、前記第２熱交換手段は、前記熱交換媒体の温度が予め定められた値未満となったときに、前記気体流通経路に流通する気体から放出する熱量を制限することが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、車両駆動電力供給用の燃料電池に用いられる熱交換装置において、熱交換性能を向上させると共に、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池自動車駆動システムの構成を示す図である。
【図２】暖機／冷機制御において制御部が実行する処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に本発明の実施形態に係る燃料電池自動車駆動システムの構成を示す。このシステムでは、燃料電池１０および二次電池１６からモータ１８に電力を供給する。燃料電池１０に空気を供給する空気配管２０には、冷媒との間で熱交換処理を行う手段が設けられる。燃料電池１０に供給される空気は熱交換処理によって温度が調整される。
【００１７】
より詳細には、燃料電池自動車駆動システムは、空気配管２０に流通する空気との間の熱交換および燃料電池１０との間の熱交換を行う第１の熱交換手段を備える。また、空気配管２０に流通する空気との間の熱交換および車両駆動部１４との間の熱交換を行う第２の熱交換手段を備える。第１の熱交換手段には、燃料電池熱交換器３６、冷媒管３８、および下流熱交換器３４が含まれ、第２の熱交換手段には、電気系統熱交換器２６、冷媒管２８、および上流熱交換器２４が含まれる。
【００１８】
燃料電池自動車を駆動する構成部について説明する。車両駆動部１４は、燃料電池１０からモータ１８へと供給される電力および二次電池１６からモータ１８へと供給される電力を調整する。モータ１８は、車両駆動部１４から供給される電力に応じて燃料電池自動車を駆動する。また、車両駆動部１４は、モータ１８の発電電力を調整して二次電池１６に供給する。これによって、モータ１８は燃料電池自動車の回生制動を行い、回生発電電力によって二次電池１６を充電する。
【００１９】
車両駆動部１４は、燃料電池１０の直流出力電圧および二次電池１６の直流出力電圧を調整する昇降圧コンバータ回路を備える。車両駆動部１４は、さらに、燃料電池１０および二次電池１６とモータ１８との間で直流交流変換を行うインバータ回路を備える。
【００２０】
車両駆動部１４が電力の授受を行うと共に車両駆動部１４の電気部品は発熱する。電気部品は発熱により寿命が短縮されることがある。そこで、車両駆動部１４には、電気部品の温度を予め定められた範囲内とするための電気系統熱交換器２６が取り付けられる。電気系統熱交換器２６には冷媒管２８が通される。冷媒管２８は、後述の上流熱交換器２４の内部を通り、電気系統熱交換器２６と上流熱交換器２４との間を冷媒が循環するよう配置される。冷媒は、電気系統冷媒ポンプ３０の駆動力によって冷媒管２８を流通し、電気系統熱交換器２６と上流熱交換器２４との間を循環する。冷媒管２８には、冷媒から熱を放出させるラジエータ３２が取り付けられる。電気系統熱交換器２６は、車両駆動部１４から冷媒に熱を与える。冷媒に与えられた熱はラジエータ３２から放出される。
【００２１】
エアコンプレッサ２２は、吸引側の空気配管２０から空気を吸引し、吸引した空気を圧縮して吐出側の空気配管２０へと送り出す。エアコンプレッサ２２から送り出された空気の温度は、燃料電池１０における化学反応に適した温度よりも高いことが多い。そこで、空気配管２０には、エアコンプレッサ２２から燃料電池１０に至るまでの間に、上流熱交換器２４および下流熱交換器３４を取り付け、燃料電池１０に供給される空気の温度を熱交換処理によって調整する。上流熱交換器２４は、エアコンプレッサ２２側に取り付けられ、下流熱交換器３４は燃料電池１０側に取り付けられる。上流熱交換器２４は、空気配管２０を流通する空気から冷媒に熱を与える。冷媒に与えられた熱はラジエータ３２から放出される。上流熱交換器２４によって熱交換処理が施された空気は、下流熱交換器３４へと導かれる。
【００２２】
下流熱交換器３４には冷媒管３８が通される。冷媒管３８は、後述の燃料電池熱交換器３６の内部を通り、下流熱交換器３４と燃料電池熱交換器３６との間を冷媒が循環するよう配置される。冷媒は、燃料電池系統冷媒ポンプ４０の駆動力によって冷媒管３８を流通し、下流熱交換器３４と燃料電池熱交換器３６との間を循環する。冷媒管３８には、冷媒から熱を放出させるラジエータ４２が取り付けられる。下流熱交換器３４は、空気配管２０を流通する空気から冷媒に熱を与える。冷媒に与えられた熱はラジエータ４２から放出される。
【００２３】
下流熱交換器３４によって熱交換処理が施された空気は燃料電池１０へと導かれる。空気配管２０に流通する空気が各熱交換器内を流通する冷媒に放熱することで、エアコンプレッサ２２から送り出され、燃料電池１０に供給される空気の温度を低下させることができる。したがって、このような構成によれば、エアコンプレッサ２２が吸引圧縮した空気を燃料電池１０に供給すると共に、燃料電池１０に供給される空気を化学反応に適した温度とすることができる。
【００２４】
燃料電池１０には水素配管５４から水素が供給される。燃料電池１０に供給された水素および空気は、燃料電池１０内に設けられた化学反応領域１２へと導かれる。燃料電池１０は、水素および空気中の酸素による化学反応に基づいて発電し、発電電力を車両駆動部１４に供給する。燃料電池１０に供給された空気のうち発電に寄与しなかった成分は、発電に伴って生じた水と共に残空気配管５８から燃料電池１０の外側へと送り出される。また、燃料電池１０に供給された水素のうち発電に寄与しなかった水素は、残水素配管５６から送り出される。燃料電池自動車駆動システムは、この水素を再び水素配管５４に導く構成としてもよい。
【００２５】
燃料電池１０には、化学反応領域１２の温度を水素と酸素との化学反応に適した温度範囲内とする燃料電池熱交換器３６が取り付けられる。燃料電池熱交換器３６は、化学反応領域１２から冷媒に熱を与え、または、冷媒から化学反応領域１２に熱を与える。熱交換の方向は、化学反応領域１２の温度、冷媒の温度および流量（単位時間当たりに流れる体積）、ラジエータ４２の単位時間当たりの熱放出量等によって定まる。そこで、制御部４８は燃料電池系統冷媒ポンプ４０を制御し、化学反応領域１２における温度が化学反応に適した範囲となるよう調整する。
【００２６】
燃料電池１０に供給される空気の温度制御について説明する。温度制御を行うため、下流熱交換器３４と燃料電池１０との間には、下流温度センサ４４が取り付けられる。下流温度センサ４４は、空気配管２０を流通する空気の温度を検出し、検出結果を下流空気温度検出値として制御部４８に出力する。
【００２７】
一般に、空気および冷媒との間で熱交換処理を行う熱交換器では、熱交換処理前後における冷媒の温度変化、熱交換処理前後における空気の温度変化、および空気の流量を一定とすれば、冷媒の流量を大きくする程、空気から冷媒に与えられる単位時間当たりの熱量が大きくなる。
【００２８】
制御部４８は、この原理に基づき燃料電池系統冷媒ポンプ４０における冷媒の流量を制御する。燃料電池系統冷媒ポンプ４０の制御は、下流空気温度検出値が予め定められた目標範囲内の値となるよう行う。下流空気温度検出値の目標範囲は、化学反応領域１２における温度が、例えば、５０°Ｃ以上２００°Ｃ以下となるときの下流空気温度検出値の範囲に基づいて定める。これによって、エアコンプレッサ２２による吸引圧縮後の空気の温度を、化学反応に適した温度とすることができる。
【００２９】
次に、上流熱交換器２４から下流熱交換器３４に供給される空気の温度制御について説明する。温度制御を行うため、上流熱交換器２４と下流熱交換器３４との間には、上流温度センサ４６が取り付けられる。上流温度センサ４６は、空気配管２０を流通する空気の温度を検出し、検出結果を上流空気温度検出値として制御部４８に出力する。
【００３０】
制御部４８は、電気系統冷媒ポンプ３０における冷媒の流量を制御する。電気系統冷媒ポンプ３０の制御は、上流空気温度検出値が予め定められた目標範囲内の値となるよう行う。上流空気温度検出値の目標範囲は、下流熱交換器３４側の冷媒の特性に基づいて定める。例えば、冷媒に含まれる液体物質の沸点未満とすることが好適である。すなわち、冷媒がエチレングリコールを含む流体である場合には、上流空気温度検出値の目標範囲を、エチレングリコールの沸点未満とすることが好適である。
【００３１】
下流熱交換器３４側の冷媒としてエチレングリコールを含む流体を用いた場合、冷媒の温度がエチレングリコールの沸点を超えると、冷媒の電気的絶縁性能が良好でなくなることがある。これによって、燃料電池１０の電気的絶縁性能を最大限に発揮することが困難となることがある。また、冷媒の温度がエチレングリコールの沸点を超えると、エチレングリコールの熱交換性能が良好でなくなることがある。これによって、冷媒の熱交換性能を最大限に発揮することが困難となることがある。したがって、上流空気温度検出値の目標範囲をエチレングリコールの沸点未満としておけば、このような問題を解決することができる。
【００３２】
上記では、燃料電池１０に供給される空気の温度に着目した制御について説明した。本実施形態に係る燃料電池自動車駆動システムにおいては、このような空気温度制御に加えて、燃料電池熱交換器３６が化学反応領域１２との間で最適な熱交換処理を行うよう制御をすることが好ましい。例えば、燃料電池自動車が運転を停止していた状態から運転を開始した場合には、燃料電池熱交換器３６を通る冷媒の温度が低くなっており、最適な熱交換処理が困難となることがある。一方、冷媒の温度が上昇すると、上述したように冷媒の特性に影響を及ぼすことがある。そこで、本実施形態においては、燃料電池１０に供給される空気の熱交換処理に基づいて、冷媒および化学反応領域１２の温度を調整する暖機／冷機制御を実行する。
【００３３】
暖機／冷機制御は、燃料電池熱交換器３６、下流熱交換器３４および燃料電池熱交換器３６を循環する冷媒の温度に基づいて行う。そのため、冷媒管３８における燃料電池熱交換器３６の出口位置には冷媒温度センサ５２を設け、冷媒温度センサ５２の検出結果を用いる。冷媒温度センサ５２は、冷媒の温度を検出し検出結果を冷媒温度検出値ＭＴとして制御部４８に出力する。
【００３４】
図２は、暖機／冷機制御において制御部４８が実行する処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、燃料電池自動車がイグニッションオン状態とされた後の処理を示す。制御部４８は、電気系統冷媒ポンプ３０が駆動状態であるか、または停止状態であるか示す情報を状態記憶部５０に記憶しているものとする。制御部４８は、状態記憶部５０を参照し、電気系統冷媒ポンプ３０が停止しているか、または駆動状態にあるかを判定する（Ｓ１０１）。そして、駆動状態にある旨の判定をしたときは、冷媒温度検出値ＭＴが予め定められた下限温度値ＴＨ１未満であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。ここで下限温度値ＴＨ１は、化学反応領域１２における化学反応に適した温度範囲の下限値に対応する値とすることが好ましい。例えば、化学反応に適した温度範囲が５０°Ｃ以上２００°Ｃ以下であれば、化学反応領域１２の温度が５０°Ｃとなるときの冷媒温度検出値ＭＴを下限温度値ＴＨ１とする。
【００３５】
制御部４８は、冷媒温度検出値ＭＴが下限温度値ＴＨ１未満であるときは、電気系統冷媒ポンプ３０を停止し（Ｓ１０３）、ステップＳ１０４の処理に移行する。一方、冷媒温度検出値ＭＴが下限温度値ＴＨ１以上であるときは、電気系統冷媒ポンプ３０を停止せずステップＳ１０４の処理に移行する。
【００３６】
ステップＳ１０４において制御部４８は、イグニッションオフの操作がなされた否かを判定する（Ｓ１０４）。制御部４８は、イグニッションオフの操作がなされていない旨の判定をしたときは、ステップＳ１０１の処理の実行に戻る。一方、イグニッションオフの操作がなされた旨の判定をしたときは、電気系統冷媒ポンプ３０が駆動状態にある場合にはそれを停止し、その他の運転終了のための処理を実行する（Ｓ１０５）。
【００３７】
このような制御によれば、電気系統冷媒ポンプ３０が駆動状態である場合において、冷媒温度検出値ＭＴが下限温度値ＴＨ１未満であるときは、電気系統冷媒ポンプ３０が停止する。これによって、下流熱交換器３４と燃料電池熱交換器３６との間を循環する冷媒の温度が下限温度値ＴＨ１未満となった場合には、上流熱交換器２４への放熱量が少なく、エアコンプレッサ２２吐出後からの温度低下が少ない空気を下流熱交換器３４に送ることができる。したがって、下流熱交換器３４から冷媒に与えられる熱量を増加させ、さらに、燃料電池熱交換器３６を介して化学反応領域１２に与えられる熱量を増加させることができる。これによって、冷媒および化学反応領域１２の温度を上昇させることができる。
【００３８】
制御部４８は、ステップＳ１０１において、電気系統冷媒ポンプ３０が停止している旨の判定をしたときは、冷媒温度検出値ＭＴが予め定められた上限温度値ＴＨ２を超えるか否かを判定する（Ｓ１０６）。ここで上限温度値ＴＨ２は、化学反応領域１２における化学反応に適した温度範囲内の値に対応する値とすることが好ましい。例えば、化学反応に適した温度範囲が５０°Ｃ以上２００°Ｃ以下であれば、化学反応領域１２の温度が８０°Ｃとなるときの冷媒温度検出値ＭＴを上限温度値ＴＨ２とする。また、上限温度値ＴＨ２は、冷媒に含まれる液体物質の沸点未満とすることが好適である。すなわち、冷媒がエチレングリコールを含む流体である場合には、上限温度値ＴＨ２を、エチレングリコールの沸点未満の値とすることが好適である。
【００３９】
制御部４８は、冷媒温度検出値ＭＴが上限温度値ＴＨ２を超えるときは、電気系統冷媒ポンプ３０を始動し（Ｓ１０７）、ステップＳ１０４の処理に移行する。一方、冷媒温度検出値ＭＴが上限温度値ＴＨ２以下であるときは、電気系統冷媒ポンプ３０を始動せずステップＳ１０４の処理に移行する。
【００４０】
このような制御によれば、電気系統冷媒ポンプ３０が停止している場合において、冷媒温度検出値ＭＴが上限温度値ＴＨ２を超えるときは、電気系統冷媒ポンプ３０を始動することができる。これによって、下流熱交換器３４と燃料電池熱交換器３６との間を循環する冷媒の温度が上限温度値ＴＨ２を超えた場合には、上流熱交換器２４の冷媒に熱を放出し、エアコンプレッサ２２吐出後からの温度を低下させた空気を下流熱交換器３４に送ることができる。冷媒としてエチレングリコールを含む流体を用いた場合、冷媒の温度がエチレングリコールの沸点を超えると、上記のように、燃料電池１０の電気的絶縁性能を最大限に発揮することが困難となる、冷媒の熱交換性能を最大限に発揮することが困難となる等の問題が生じる。ステップＳ１０６およびＳ１０７によれば、上流熱交換器２４の冷媒に熱を放出し、温度を低下させた空気を下流熱交換器３４に送ることができるため、このような問題を解決することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  燃料電池、１２  化学反応領域、１４  車両駆動部、１６  二次電池、１８  モータ、２０  空気配管、２２  エアコンプレッサ、２４  上流熱交換器、２６  電気系統熱交換器、２８，３８  冷媒管、３０  電気系統冷媒ポンプ、３２，４２  ラジエータ、３４  下流熱交換器、３６  燃料電池熱交換器、４０  燃料電池系統冷媒ポンプ、４４  下流温度センサ、４６  上流温度センサ、４８  制御部、５０  状態記憶部、５２  冷媒温度センサ、５４  水素配管、５６  残水素配管、５８  残空気配管。
【図１】
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【図２】
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